明挖法地铁车站主体结构设计要点及关键技术研究

巫 峰

（中交（广州）铁道设计研究院有限公司，广东 广州 510290）

1 工程概况

新生圩站建设于仙新路与恒竞路十字路口西侧，为双层三跨岛式车站结构形式，其外包长236.39 m，标准段宽度为21.7 m，有效站台长120 m，站台宽13 m。

车站以安全稳定为首要目标，主体结构设计是重点内容，具体采取钢筋混凝土箱型框架结构。站址周边存在大量空地，围挡范围内施工条件良好，无交通需求。

鉴于此特点，采取明挖法展开施工作业，以达到高效施工、减少成本投入等效果。

2 车站主体初步设计

地铁车站设计系统复杂、涵盖专业多，且内外部专业相互影响和制约。地铁车站初步设计工作需要各个专业互相沟通协调，若沟通协调质量好，将极大提升设计方案的科学性和合理性，减少后期的变更设计，保证后续施工顺利进行和提高施工效率。地铁车站初步设计工作需要重点关注以下方面。

2.1 做好现场踏勘和周边环境资料的收集工作

1）确定地下管线的具体类型和材质，测定直径和埋深及明确走向，掌握重力管线的坡度方向。

2）认真调查地面的交通现状，收集道路宽度、区域内的车道数量等资料，明确周边是否满足交通疏散的要求。

3）调查基坑开挖影响范围内各个建筑物的类型和用途，明确建成时间和结构形式并测定埋深，一般调查的基坑深度范围为1 倍～3 倍。

4）做好现场踏勘工作，确定距离和面积符合车站施工用地，让施工现场与车站主体位置相近。通常情况下，施工场地的面积应该保证在4 000 m2～5 000 m2，盾构始发场地面积增加到4 000 m2～5 000 m2，盾构吊出场地面积增加到1 500 m2～2 000 m2。

2.2 确定车站站位的可行性及结构的施工方法

1）综合考虑多种因素来安排管线，如埋深和平面位置，确定有控制作用的管线并在此基础上制定永久或临时迁改方案，保证方案的科学性。制定管线永久或临时迁改方案需要注意以下方面：

①迁改原则为沿车站纵向和横向管线差异对待，沿车站纵向的管线应用永久或临时迁改方案，而沿车站横线的管线应用悬吊保护方案；

②若管线无法迁改，要加强与建筑等专业施工人员的沟通和协调，给予局部增加管廊和暗挖施工，或通过合理调整车站的埋深和站位来处理迁改难题；

③管线迁改设计方案的确定要综合考虑多种因素，并且在车站分期施工方案的基础上来制定和选择，提高管钱迁改的效率，避免出现反复迁改的问题；

④市政管线较为复杂，在车站设计工作中应重点关注污水管、雨水管及中水管等重力型管线，这类管线的埋深深度大、直径宽度较大、坡度要求相对较高。若管线的类型是混凝土管时应做好悬吊保护，并且用钢管来替换处于悬吊状态的混凝土管。

2）综合考虑地铁工程建设要求、目的和区域内当前的交通现状和周边环境，提出科学的分期交通疏解方案。分期交通疏解方案应注意两点：

①疏解方案在保证原有道路交通运营的基础上，尽可能降低车站施工对区域交通的影响，满足人们出行的需要[1]；

②若没有具体的要求，机动车道和人行道的设置分别为3.5 m 和2 m，并且保证机动车的转弯半径，具体设置为30 m。

3）疏解方案具有较高的应用价值，既能为明挖车站各期的施工工法选择提供参考，也能够保证施工总平面布置图绘制的科学性和合理性。

3 车站主体结构设计时的技术要点

地铁车站包含大量的细部结构，总体来看其结构组成较为复杂，施工期间应考虑的因素较多。对此，设计结构时应严格执行高标准，保证结构设计方案的可行性，以免在后续施工或运营期间出现问题[2]。

3.1 车站结构选型

本车站位于南京经济开发区恒竞路，地形较平缓，各勘探点孔口高程在29.80 m～32.80 m 之间，地貌上属岗地。拟建新生圩站位于南京经济开发区恒竞路与仙新路交叉口以西，沿恒竞路敷设，场地地形平缓。拟建工程现处于荒地状态，周边除部分地下管线外无其他既有建（构）筑物。

拟建工程虽处于荒地，但周边仍保留原有的地下管线，包括通信电缆、自来水管和雨、污水管及燃气管线等。其中场地东侧存在1 条直径约1 m 的热力管道，紧邻仙新路沿南北向敷设，该管道半裸露于地表且正在使用。施工前应予以迁移或保护。

场地勘察期间实测孔隙潜水稳定水位埋深1.00 m～2.80 m，标高为27.30 m～31.30 m。水位年变化幅度约1.00 m。地下水位受季节性降雨影响较大，雨季时地下水位较高。常年最高水位约在地表下0.50 m。根据区域水文地质条件，本区基岩裂隙水主要赋存于强风化岩层中，中风化岩层裂隙发育不均，连通性较差，水位、水量受裂隙发育及连通性影响较大，总体来说水量不大。勘察期间在简易抽（提）水试验孔中测得基岩裂隙水水位埋深2.20 m～2.80 m。基岩裂隙水为承压水，年水位变化幅度不大。

根据车站总体建筑布置，结合沿线地形及地质条件，并考虑到经济性问题，经分析后确定本站的结构形式，即采取双层三跨箱形框架结构，作为地铁车站建设领域的典型结构形式，其具有稳定、高效的基本特点。

车站标准段设双柱，按照纵向9 m 的方式依次布设框架柱，为充分发挥车站层内空间的作用，顶、底及中板3 部分均为纵梁体系，且未配置横梁。为减少空间的占用量，出入口敞开段设置为U 形槽的形式。

3.2 地铁车站结构

选择长条形的地下多层多跨框架结构对于整个地铁车站施工来说至关重要，科学合理的地铁车站结构形式能够保证车站建设质量。

长条形钢筋混凝土框架结构车站，综合考虑立柱、楼板的压缩变形和斜托影响因素，应用Midas Civil 2018 程序来进行具体计算，确定沿车站纵向单位长度和计算工况。围护结构的结构内力计算要分阶段进行，分别计算和分析施工阶段及后续使用阶段的结构内力；在完成围护结构的计算后，要对车站主体结构的最不利内力进行组合，以此获得内力包络图。

4 明挖法地铁车站主体结构设计的主要问题分析

4.1 结构设计方面的问题

1）中板开洞时应充分考虑到洞径情况，若偏大则应创建平面模型，以此为依据检验横梁和中纵梁交接区域的情况，如弯矩和剪力是否满足要求，同时应适当增加该处的配筋量。

单柱结构扶梯孔洞施工时应合理选择布孔方式，以对称设置较为合适，否则易形成较大的扭矩；若存在集中荷载则应扩宽钢筋的截面面积[3]。

2）若覆土较浅，此时地下1 层的受力条件较为特殊，应重点考虑该处侧墙、顶板和中板3 部分的布设方式，按照纯弯构件计算；对于剩下的结构层，可按压弯构件完成配筋计算工作。若盾构井底板或其他结构承受较大的剪力，此时较可行的方式是配置抗剪钢筋。

4.2 主体结构计算的方法选择

地铁车站结构的计算工作量较大，二维断面计算的方式便捷性较好，但也存在较明显的缺陷，例如在中板和顶板处开大孔时难以准确分析该处的应力情况，且二维计算并不能完全考虑到面外刚度，因此计算所得的板内力值相对较小，会明显加大梁截面的高度，存在部分不必要的埋深作业，浪费现象较为明显。

相比之下，三维计算的方式可保证所得结果的准确性。此现象的原因在于，二维计算时预设的内力传递机制较为特殊，即按照板→梁→柱的顺序依次传递，源自于板上的竖向荷载都将作用于纵梁，且必须在梁板具有足够刚度的条件下才成立。而地铁车站结构并非如此，梁、板两部分结构的高度具有差异性，通常呈2：1 的关系，并且厚度也具有类似的规律，因此梁结构将被视为板的近似不动支座，其并不具备良好的刚度表现，在板的作用下荷载将传递给竖向构件，此时若采取二维计算的方式，所得结果将与实际受力情况存在较明显的偏差。

鉴于此，应优先选择三维计算的方式，以保证地铁车站结构计算结果的准确性，而此方法还可减少地铁车站的成本投入，综合应用效果较好。

因地铁车站一般为长通道结构，纵向很长，横向相对尺寸较小。结构计算取延米结构作为平面应变问题来近似处理，考虑地层与结构的共同作用，采用荷载－结构模型平面杆系有限元单元法。计算模型为支承在弹性地基上对称的平面框架结构，框架结构底板下用土弹簧模拟土体抗力，结构考虑水平及竖向荷载。按荷载情况、施工方法，模拟开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，按最不利内力进行计算。计算中注意底板的弹簧反力应≤地基的承载力，计算模型如图1 所示。

4.3 结构尺寸拟定

根据类似工程经验，结合本站的工程水文地质条件，经计算，各断面的尺寸拟定见表1。

表1 拟定结构尺寸 m

5 结语

明挖法是地铁车站工程中的主流方法，为保证该施工工法得到有效的应用，在设计阶段应充分考虑到基坑支挡结构的稳定性情况，做好选型工作，通过三维计算的方式展开分析，编制完善的地铁车站主体结构施工方案，以便顺利完成地铁车站的建设工作。